油热处理对竹材声学振动性能的影响

为探究油热处理对竹材声学振动性能、尺寸稳定性的影响规律,减少竹乐器在使用过程中出现开裂、变形,从而导致音质受损的不利影响,以大豆油为加热介质对竹材进行热处理,热处理温度分别为140、170、200℃,加热时间分别为2 h和4 h,利用双通道快速傅里叶变换分析仪得到试件处理前后的振动频谱图,读取其前五阶弯曲振动频率,分析声学振动性能参数,研究油热处理对竹材声学振动性能、尺寸稳定性的影响。处理后竹材的比动弹性模量(E_(sp))、声辐射品质常数(R)有明显提高,密度(ρ)、声阻抗(ω)、动力学损耗角正切(tanδ)和E/G呈下降趋势,声学振动效率得到提高。其中,经200℃、4 h处理后带有竹节的竹材声学振动性能提升最大,E_(sp)增幅为29.20%、ρ降幅为15.12%、R增幅为33.75%、ω降幅为3.41%、tanδ降幅为40.52%,E/G降幅为2.33%。最小体积干缩率和最大抗吸湿膨胀率分别为0.33%、56.95%,体积干缩率和体积吸湿膨胀率随处理时间和温度的增大而减小。结果表明,当油热处理时间为200℃,时间为4 h时,试件的声学振动性能得到了较好的改善,油热处理对竹材声学振动性能和尺寸稳定性的提升有积极作用。

桦木单板−金属铜网复合材料声学振动性能研究

【目的】传统实木乐器音板的选材和用材都十分严格,然而当下我国优质木材资源紧缺,资源需求压力较大,开发可用作乐器音板的复合材料是缓解木材需求压力的有效途径。【方法】试验制备了双层、5层桦木单板分别与金属铜网复合的两种厚度复合材料。在分析复合材料尺寸稳定性的基础上,利用双通道快速傅里叶变换频谱分析仪测试其声学振动性能,研究桦木单板铺装方向、金属铜网添加位置与添加层数对声学振动性能的影响,并采用综合评分法比较了复合材料与西加云杉的声学性能。【结果】加入金属网后制备的双层、5层桦木单板复合材料的抗湿胀系数最高分别为80.00%与88.09%,胶合界面的增加提升了复合材料的抗湿胀系数。桦木单板铺装方向影响复合材料的E_(L)/E_(R)值,以单板纹理平行铺装的双层单板复合材料E_(L)/E_(R)值为29.09,以单板纹理交错铺装的双层单板复合材料E_(L)/E_(R)值为0.99。加入2层金属铜网的5层复合材料,具有接近西加云杉的振动效率品质和更为优秀的音色,其抗湿涨系数平均值达到87.61%、纵向比动弹性模量达到20.20 GPa、声辐射品质常数达到6.13 m/(Pa·s^(3))、声阻抗为3.29 Pa·s/m、E/G值达到29.63。【结论】通过与西加云杉木材的比较表明,复合材料的声学振动性能基本能达到一般乐器的要求,并且具有良好的尺寸稳定性,是传统实木音板的良好替代材料。

裂纹长度对泡桐木材声学振动性能的影响

乐器音板易出现裂纹,而裂纹会对音板的声学振动性能产生影响。本研究以泡桐木材为对象,人工预制了不同位置、不同长度的裂纹,利用双通道快速傅里叶变换频谱分析仪对裂纹长度为0~4/8 L的端部、中部裂纹的泡桐木材声学振动性能进行检测。发现端部裂纹振动频谱一阶频率不随裂纹长度变化而变化,但高频部分随裂纹出现会出现双峰,且裂纹长度越大,对高频部分影响越大。中部裂纹对振动频谱无明显影响。二至五阶的比动弹性模量(E/ρ)和声辐射品质常数(R)、一至五阶的声阻抗(ω)和动弹性模量与动态刚性模量之比(E/G)以及损耗角正切(tanδ)与端部裂纹长度呈显著的线性相关,一阶的E/ρ和R与端部裂纹长度的相关性较弱。当端部裂纹长度为1/8 L时,一阶的E/ρ、R、ω,五阶的E/G以及tanδ几乎不产生变化;端部裂纹长度为4/8 L时,四阶的E/ρ、R、ω,一阶的E/G以及tanδ变化率最大,分别为-3.0%,-1.3%,-1.7%,8.8%和24.3%。一至四阶的E/ρ和R、一至五阶的ω和E/G与中部裂纹长度呈显著的线性负相关。当中部裂纹长度为1/8 L时,二阶的E/ρ和ω、三阶的E/G几乎不产生变化,中部裂纹长度为2/8 L时,二阶的R几乎不产生变化。中部裂纹长度为3/8 L时,一阶的E/ρ、R、E/G变化率最大,分别为-1.3%,-0.5%和-5.1%;中部裂纹长度为4/8 L时,一阶ω变化率最大,但仅为-0.8%。tanδ与中部裂纹长度的关系不明显。结果表明:裂纹长度和泡桐木材声学振动性能有较强的规律性,端部、中部裂纹对泡桐木材声学振动性能有不同影响。

弦乐器指板常用热带硬阔叶木材的声学振动性能分析

【目的】分析弦乐器指板常用热带硬阔叶木材的声学振动性能,归纳总结指板用木材的声学振动性能要求,为寻找可替代树种或对人工林木材进行功能改良以替代传统指板用木材提供科学依据。【方法】采用X-射线剖面密度测试仪表征木材一个生长轮内早晚材的密度差异及沿径向密度分布的均匀性;利用超声波微秒计测试木材声传播速度;运用模态分析法测试木材的共振频率和扭转频率,根据矩形截面Euler-Bernoulli方程计算木材声学振动参数。【结果】乌木绝干密度为1180 kg·m^(-3),阔叶黄檀绝干密度为810 kg·m^(-3),东非黑黄檀绝干密度为1320 kg·m^(-3);弦乐器共鸣板用硬槭木绝干密度为660 kg·m^(-3),非乐器用木材辐射松绝干密度为480 kg·m^(-3)。乐器用木材一个生长轮内早晚材及相邻生长轮之间密度差异较小,材质均匀。指板用木材轴向和径向声传播速度均低于硬槭木和辐射松。硬槭木顺纹与横纹的声传播速度比为3.2,声学各向异性较优。乌木、东非黑黄檀和阔叶黄檀的动态弹性模量(E′)分别为18.2、16.8和14.8 GPa,指板用木材的E′均大于14.0 GPa。指板用木材的比动态弹性模量(Esp)均小于18.0 GPa,硬槭木和辐射松的Esp分别为24.5和26.8 GPa,均高于指板用木材。乌木、阔叶黄檀和东非黑黄檀的声辐射品质常数(R)分别为3.21、5.08和2.58 m^(3)·Pa^(-1)s^(-3),硬槭木和辐射松的R分别为7.17和9.41 m3·Pa^(-1)s^(-3)。指板用木材的声阻抗(ω)、对数衰减系数(λ)和损耗角正切值(tanδ)均高于硬槭木和辐射松。指板用木材的声学转化率(ACE)和E′/G′均低于硬槭木。乌木、阔叶黄檀、东非黑黄檀、硬槭木和辐射松的动态剪切模量(G′)分别为1.97、1.72、2.58、1.21和1.09 GPa,指板用木材的G′均大于硬槭木和辐射松。【结论】指板用木材绝干密度均大于800 kg·m^(-3)。木材密度与其声学振动性能存在一定函数关系,选材时密度和声学振动性能需共同考虑。与共鸣板相比,指板选材对木材声学振动性能的要求远低于共鸣板。在声学振动性能方面,木材的E′和G′是指板选材的主要评估指标,要求尽量选择E′和G′大的木材,E′越大,指板抵抗不同弦张力所引起的弯曲变形能力越强;G′越大,指板抑制不同弦张力所引起的扭转变形能力越强。木材的Esp、R、ACE、E′/G′、λ、tanδ、ω等声学振动参数可不作为指板选材的主要评估指标。

木粉与相容剂含量对木塑复合材料声学振动性能的影响

通过开发具有良好声学振动性能的木塑复合材料是缓解乐器共鸣板用木材资源匮乏的一个有效途径,为探究木塑复合材料应用于乐器共鸣板的可能性,以优质木塑复合材料力学性能制备方法为参考,研究木粉含量、相容剂含量对复合材料声学振动性能参数(比动弹性模量、声辐射品质常数、声阻抗、对数衰减率)的影响规律,并与乐器音板传统用材进行比较,确定具有较优声学振动性能的木粉和相容剂含量。研究结果表明,木粉含量对木塑复合材料的声学振动性能影响较大,当木粉含量(质量分数)从60%增加至80%时,声学振动参数声阻抗(ω)、对数衰减率(δ)、比动弹性模量(E/ρ)数值出现上升,振动效果略有下降;在木塑复合材料制备中,相容剂的含量对复合材料音色品质影响较大,当采用65%木粉含量、相容剂含量占木粉含量7%的比例制备复合材料时,能获得综合表现相对较好的声学振动性能;与已有乐器音板用材相比,实验中木塑复合材料的ω(2.21 Pa·s/m)与美国西加云杉(2.20 Pa·s/m)接近,δ小于木质碳纤维复合材料音板,但也存在声辐射品质常数(R)小于木质-玻璃纤维复合材料音板,且比动弹性模量偏小的问题,后续还需着重对此问题开展研究。

桦木单板/玻璃纤维复合材料声学振动性能的研究

【目的】面对我国乐器音板用材资源的严重不足,寻找新材料替代传统乐器木质音板用材是非常有必要的。【方法】本试验以玻璃纤维为增强材料,桦木单板为基体,按照单板层积材结构设计制备桦木单板/玻璃纤维复合材料。通过对玻璃纤维复合材料声学振动性能检测分析,探究玻璃纤维布的不同铺放位置和铺放层数对复合材料声学振动性能的影响。【结果】用1层玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料A的比动弹性模量和E/G值分别为22. 20 GPa和16. 55,比用1层玻璃纤维布铺放在芯层单板单侧的复合材料B分别高了8. 7%、17. 8%。用2层玻璃纤维布分别铺放在上下表层单板内的复合材料C的比动弹性模量和E/G值分别为25. 04 GPa和17. 04,比用玻璃纤维布铺放在芯层单板两侧的复合材料D高了7. 5%和18. 0%。纤维铺放位置对声辐射品质常数和声阻抗的影响较小。玻璃纤维布的层数与复合材料的声学振动性能不成线性关系,铺放2层玻璃纤维布的复合材料具有较高的比动弹性模量和E/G值。玻璃纤维布铺放3层和4层的复合材料的比动弹性模量和E/G比铺放2层的都小。随着玻璃纤维布层数的增加,声辐射品质常数呈减小的趋势。通过综合评分法分析发现:玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料综合评分值都高于铺放在靠近芯层单板的复合材料,铺放2层玻璃纤维布的复合材料的综合评分值达到最大。【结论】玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料声学振动性能优于纤维布铺放在靠近芯层单板的复合材料。铺放2层玻璃纤维布的复合材料C的声学振动性能达到最好。尽管复合材料C的E/G值约为西加云杉的80%,但比动弹性模量和西加云杉的相接近,说明桦木单板/玻璃纤维复合材料具有替代传统木质音板用材的可能性。

电声乐器中木材声学振动性能对音响特性的影响

电声乐器是现代科学技术的产物,在现代音乐中占有很重要的地位。电声弦乐器与传统弦乐器相比少了共鸣板(共鸣箱),而琴体部分多由实木构成。因这类乐器的发声原理特异而导致对使用的材料以及结构上的要求也有所变化。以电吉他为研究对象,通过对木材的振动声学性质以及电磁拾音器输出信号的音响特性进行研究,初步分析了在打击音法和拾音器集音的2种方式下对数衰减率和比动弹性模量之间的关系。结果表明,赤桦木最适合做为琴体材料;琴体在横向振动方式下的比动弹性模量约为纵向振动方式的24倍;拾音器所输出的泛音成分在3和5倍区域趋于集中。此外,进一步评价了琴体木材和琴弦振动对拾音器的影响,为继续深入探讨木材在电声乐器中的应用提供参考。

云杉材纹理角度对钢琴音板声学振动性能的影响

云杉材是制作钢琴音板的主要用材,以4种云杉属木材为研究对象,采用快速傅里叶变换分析法测试其共振频率,并计算其声学振动性能参数,分析木材纹理角度对云杉材声学振动性能具有的影响。结果表明:随着纹理角的增大,云杉材的动弹性模量、比动弹性模量增大,损耗角正切减小。当纹理角为90°时,云杉材的振动效率最高、声能损耗最少,声学性能最优。通过综合加权法评定,纹理角90°的麦吊云杉具有最优振动性能。

吸湿循环处理对常用乐器用材声学振动性能的影响

对不同针、阔叶材树种木材进行吸湿循环处理,通过对声学振动性能进行跟踪测试,研究吸湿循环处理对声学振动性能的改良效果,并探讨木材解剖构造的特异性对其声学振动性能改良效果的影响。以4种常用乐器用材泡桐、梓木、杉木和西加云杉为研究对象,制成标准试样250 mm(纵向)×50 mm(径向)×15 mm(弦向),经60℃干燥48 h后,置于25℃、相对湿度60%的环境中平衡,此为1次循环,共循环4次。测量并计算处理前、不同次数循环处理后4种木材声学振动参数的变化,并结合解剖构造进行分析。木材的纤维/管胞长度从大到小依次为西加云杉>杉木>泡桐>梓木。吸湿循环处理后,4种木材比动弹性模量和声辐射阻尼系数均呈增长趋势,其中泡桐的增长率最大,分别为27.95%和44.37%;西加云杉最小分别为3.84%和7.90%。木材的声阻抗变化率,梓木最大为-15.54%,西加云杉最小为-5.75%。试验结果表明:吸湿循环处理前后,梓木的声学振动性能均为最差;吸湿循环处理改善了木材声学振动性能,阔叶材声学振动性能的改善效果优于针叶材,其中泡桐的改善效果最好;吸湿循环处理2次后,木材比动弹性模量和声辐射阻尼系数、声阻抗均达到稳定,继续2次吸湿循环处理后基本保持不变。

抽提处理对泡桐木材声学振动性能的影响

【目的】探究抽提处理对乐器用泡桐木材声学振动性能的影响,为木材声学品质改良提供理论依据,促进我国乐器产品声学品质提高,缓解乐器共鸣板用优质木材资源日益匮乏的局面。【方法】采用苯甲醇、去离子水、二氯甲烷和无水乙醇4种溶剂对泡桐木材进行15天的抽提处理,基于两端自由的弯曲振动方法,测定并分析抽提处理对木材弹性模量E、剪切模量G、比动弹性模量E/ρ、对数衰减系数σ、声阻抗ω、声辐射品质常数R、E/G、传声速度υ、传输参数υ/σ、声转换效率υ/(σ·ρ)等声学振动性能参数的影响规律,并通过微观结构观察、红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)的变化,分析抽提处理对木材声学振动性能的影响机理。【结果】经去离子水、二氯甲烷、苯甲醇和无水乙醇抽提处理后,泡桐木材声学振动性能参数均发生变化。比动弹性模量E/ρ、声辐射品质常数R和传声速度υ平均增加7.67%、11.36%和3.75%,其中经二氯甲烷抽提处理的改善效果最佳,增幅分别为13.99%和17.28%和6.77%;声阻抗ω和对数衰减系数σ平均降低3.23%和19.42%,经去离子水抽提处理后其下降程度最大,降幅分别为-5.03%和-23.45%。从能量利用率来看,声转换效率υ/(σ·ρ)和传输参数υ/σ平均提高38.89%和29.21%,其中经二氯甲烷抽提处理的改善效果最佳,增幅分别为47.66%和35.10%。抽提处理后泡桐木材红外光谱曲线未发生明显变化,仅羟基和半纤维素的吸收峰强度细微减弱。从木材微观结构看出,抽提处理后导管和纹孔更加清晰,并保留木材多孔性能。XRD分析表明,抽提处理未改变衍射峰位置,仅影响衍射峰强度,苯甲醇、去离子水、二氯甲烷和无水乙醇抽提处理后泡桐木材相对结晶度分别增加4.73%、10.25%、3.56%和7.66%,其中经二氯甲烷抽提处理的变化率最大,增大比率为17.42%。【结论】抽提处理可改善泡桐木材声学振动性能,但不同溶剂抽提处理的改善效果不同,总体来说,二氯甲烷、苯甲醇抽提处理的改善效果更优;不同溶剂对木材不同声学振动性能的改善效果也不尽相同,今后可考虑采取多种溶剂抽提结合的方式全面提升木材声学振动性能。

乐器共鸣板用木材声学振动性能改良研究现状及趋势

木材是制作乐器共鸣板的重要材料,木材的声学性能在很大程度上决定了乐器的声学品质。文中在分析乐器板用木材声学振动性能改良的着手点与切入点的基础上,总结木材声学振动性能改良方面的研究进展,认为以下几个方面将成为未来研究的热点:1)从弹性模量、比弹性模量、声辐射品质常数和声阻抗等指标出发进行木材声学性能功能性改良研究;2)开展乐器共鸣板用木材的替代树种用材的功能性改良研究,扩大可用于制作乐器共鸣板的资源范围;3)从改善木材声学振动效率和振动音色角度进行木材功能性改良的研究;4)开展新型的乐器共鸣板用材研究。

基于Daubechies小波基的木材声学振动信号分析与评价

针对音板木材振动信号分析不深入的问题,本研究基于小波包分析方法对木材振动信号进行分析,建立一种木材声学振动评价的新方法。利用多通道FFT分析仪获取泡桐木材的振动信号,基于Daubechies小波基函数对振动信号进行3层小波包分解与重构,得到了振动信号的特征值,将小波包变换后木材振动信号的特征值与传统方法测定的声学振动性能参数进行比较分析。研究结果表明:木材的振动信号能量主要集中在0~1000 Hz,在传播的过程中能量衰减迅速;对振动信号进行时域分析时得出,木材的动态弹性模量随着峭度因子的增大而减小,随着峰值因子的增大而增大;基于Daubechies小波基的分析方法得到的振动信号特征值与声学振动参数之间具有显著的相关性,其中木材信号的特征能量率与木材声学振动参数动态弹性模量、声辐射品质常数以及声传播速度之间存在显著的正相关关系,与声阻抗以及对数衰减率的相关性及变化趋势之间有显著的负相关关系。研究表明,可以应用Daubechies小波对木材振动信号进行分析与评价,此方法为木材声学振动性能的客观评价提供了新思路。

乐器用竹展平板的声学特性研究

竹材具有良好的声学性能,但目前竹质人造板在乐器中的应用并不广泛。对竹展平板的声学特性进行研究,探寻其可替代的木材音板种类,以期为乐器音板提供更多选择,提高竹材利用率。选用毛竹展平板,与红木、云杉进行声学特性比较研究,通过比较三者的振动性能与音色品质,初步确定毛竹展平板可替代的木材种类。结果表明:与红木、杉木相比,毛竹展平板的声学特性更接近于红木;其中无节去青去黄的毛竹展平板声学特性较好,最适合用作乐器音板。毛竹展平板或可代替与其密度接近的红木作为乐器音板。

二羟甲基二羟乙基乙烯脲改性木材的声学特性

为了提高泡桐木材的声学振动性能,先利用微波和抽提对试件进行预处理,再通过超声辅助浸渍的方法浸渍二羟甲基二羟乙基乙烯脲(DMDHEU)对木材进行改性处理。通过预处理和超声辅助浸渍手段相结合的方式,泡桐材的声学性能发生一定变化,当DMDHEU体积分数在5%、10%时,比动弹性模量(E/ρ)、声阻抗(ω)、E/G值均呈现下降的趋势;DMDHEU体积分数在10%、20%、30%、40%时,声辐射品质常数(R)、E/ρ、E/G值均呈现上升的变化趋势,其增长率的最大值分别为59.5%、11%、26.9%(DMDHEU体积分数为40%);当DMDHEU体积分数为30%时,ω的降幅最大,为22.1%。通过FTIR分析可知,处理后的木材中游离的羟基和羧基数量降低,木材的抗吸湿率提高,R、E/ρ等其他声学振动参数改善,从而证明发音稳定性能提高,综合考虑认为DMDHEU体积分数为30%时较为适宜。通过SEM观察发现,木材与浸渍药品之间紧密连接;XRD分析结果表明,相对结晶度提升了0.3%~9.1%;XPS结果表明,试件C 4的数量减少,C 2的数量增加,这表明经过处理后木材的C的价态发生了转变,亲水部分的羟基转化成疏水的酯键和醚键。微波、抽提预处理和超声浸渍联合处理的手段,提高了木材的尺寸稳定和振动特性,改善了木材的声学振动性能。

乐器用玻璃纤维/桦木单板复合材料的制备及性能

利用桦木与玻璃纤维进行复合加工,制备一种能够广泛应用于乐器加工领域的新型复合材料,探讨了该类型材料中玻璃纤维的结构变化对制备的复合材料声学性能的影响。通过综合分析该玻璃纤维/桦木单板复合材料各项声学振动性能指标,探讨了该复合材料替代传统乐器制备用木材的可行性。

桦木单板/玻璃纤维复合材料的制备工艺优化

【目的】为了探究工艺因子对复合材料声学振动性能的影响,优化复合材料制备工艺条件参数以提高复合材料声学振动性能。【方法】按照单板层积材结构设计制备桦木单板/玻璃纤维复合材料。利用双通道快速傅里叶变换频谱分析仪(FFT)对复合材料的声学振动性能进行检测,以比动弹性模量(E/ρ)、弹性模量和剪切模量的比值(E/G)、声辐射品质常数(R)、损耗角正切(tanσ)、声速(v)归一后的综合得分值为响应指标,分析热压时间、热压压力、施胶量对复合材料的声学振动性能的影响。在单因素实验的基础上,利用响应面分析法建立工艺因子和响应值的二次回归模型,优化复合材料的制备工艺条件。【结果】单因素实验范围内,在热压时间10～25 min、热压压力0.6～1.3 MPa、施胶量140～180 g/m^2时,复合材料声学振动性能显著提升,说明实验的工艺因子对复合材料声学振动性能影响显著。利用Design-Expert软件对复合材料的声学振动性能测试结果进行二次多项式回归拟合,剔除对模型影响不显著的因素,建立了复合材料综合得分值的响应面模型。通过响应面模型优化后的最佳工艺条件为:热压时间24.5 min、热压压力1.3 MPa、施胶量180 g/m^2,此条件下复合材料的E/ρ为25.27 GPa,E/G为15.99,R为6.48 m^3/(Pa·s^3),tanσ为0.001 25,v为5 026.55 m/s,综合得分值可达到98.19。【结论】综合得分值的模型P <0.000 1,响应值的实测值和预测值之间的偏差均小于5%,说明响应值与回归模型均存在高度显著关系,也说明回归模型准确、可靠。

钢琴桦木贴面用的胶粘材料制备

针对传统天然木材因天然缺陷和加工缺陷造成的声学振动性能不高,难以作为乐器板材使用的问题,提出桦木单板/玻璃纤维胶粘复合材料的制备。研究了工艺参数对本试验制作的复合材料声学振动性能的影响。具体结果为:当热压温度和压力分别为89℃和1.3 MPa,施胶量为180 g/m^(2)时,桦木单板玻璃纤维复合材料声学振动性能较为优异;该条件下的桦木复合材料比动弹性模量(E/ρ)、动弹性模量(E)与动态刚性模量(G)的比值(E/G)分别为26.71 GPa、18.41。